自由形状の集光器

专利摘要:
超高性能アークランプ又は他の一般的に円筒状のソースからの光をランプの前方に整列したマイクロディスプレーに差し向けるための集光器であって、ソースからの光を集光器の後端に差し向ける第１光学素子と、第１光学素子の後端に配置された第２光学素子であって、前記第１光学素子からの光を前記ターゲットに差し向ける第２光学素子を含む。
公开号:JP2011507051A
申请号:JP2010539481
申请日:2008-12-18
公开日:2011-03-03
发明作者:ジュアン・カルロス・ミナノ；パブロ・ベニテス；ホセ・ブレン・フローレス
申请人:ライト プレスクリプションズ イノベーターズ エルエルシー；
IPC主号:G02B19-00

专利说明:

[0001] 本発明は光学装置に関し、特に、投影システムの集光器（コンデンサ）に適した光学装置などのＸＸ（２反射面）光学装置に関する。]
背景技術

[0002] 投影システム中の集光光学装置の主たる作用は、望遠鏡の視野レンズと同様に、ソース（光源）からの光をできるだけ多く集め、この光を投影光学系に向けて伝達する間に光を空間的に変調するマイクロディスプレーや他の影像装置へ伝達することである。]
[0003] 集光レンズの重要性は、市販の投影システムの効率を制限する主たる問題点が集光光学装置にある点にある。効率は、スクリーンの輝度を上げて、増大する周囲光の下において充分に機能することを可能にするための、プロジェクタ性能の重要なパラメータである。加えて、高い効率は熱がより少ないことを意味し、これは送風機からの熱ノイズが減じることも意味する。]
[0004] 従来の大抵の集光器は楕円またはパラボラ鏡を使用している。アークランプやハロゲンバルブのようなソースのための集光器は理論限界（比結像光学系のエタンデュ（etendue）を使用して計算したもの）からはるかに遠い性能しか有しない。５〜１５ｍｍ2ステラジアンのエタンデュ範囲にある典型的な小型ディスプレイは、理論値が約１００％であるのに対して約４０〜５０％の集光効率しか有しない。]
[0005] 従来の楕円またはパラボラ集光器の限界を理解するには、ソース像の投影の概念を考慮するのが有用である。集光器の出射光学表面のピンホールはソースの局部像の光線束を透過させる（図１）。従来の楕円形集光器は投影アーク像のこうした特性のために、小さいエタンデュに対して限定された集光効率しか有しない。ほとんどの図面はアークを表面出射円筒として示しているが、これはアークの実際の不均一輝度分布を図式的に単純化したものである。輝度分布の例は図１Ｂから図２３に示した。この単純化は最終設計では使用されないが、楕円集光器の固有の限界を理解に資する。なぜなら、単純化したアークのエタンデュは実際のアークのそれよりも良く定義されたパラメータだからである。] 図１ 図１Ｂ 図２３
[0006] 図１は従来の任意の楕円形集光器のソース像の目立った特性を示している。像の長さはそれが集光器のどの部分により作像されるかに依存して変動する（図１Ａ）。像は光源（例えば超高性能水銀ランプ（ＵＨＰ））の長い形状を複製するので、像は長さが幅よりも約４倍長い（図１Ｂ）。像は集光器の回転対称性のためターゲット（目標画面）で回転する（図１Ｃ）。また、光源像はパノラマの１６：９比のターゲットに適合しない（図１Ｄの点線の長方形）。] 図１ 図１Ａ 図１Ｂ 図１Ｃ 図１Ｄ
[0007] マイクロディスプレイのエタンデユがアークのそれよりもはるかに大きいとき、上記の特性のうち２つ（投影した像寸法の変動及び像の回転）は集光効率を制限しない。なぜなら混合ロッドエントリ開口（図１Ｄの点線で示した長方形で表示）はすべての投影されたアーク像よりもはるかに大きいからである。これはしかし、大型で高価なマイクロディスプレイの使用を示唆する。大抵の高価な用途では、マイクロディスプレイのエタンデュはより小さく、アークのそれに近づく。] 図１Ｄ
[0008] 興味ある明らかな場合は、マイクロディスプレイとアークのエタンデュが等しくなることであるが、これは１００％の光線結合効率が理論的に可能だからである（エタンデュは光学変数であるので）。この等エタンデュの場合には、混合ロッド入口開口が平均の投影された像と同一であることを示すことができる。これは楕円集光器の像の寸法変化と回転が１００％の光線集光効率を禁止していることを明らかにしている。このような１００％の高率を達成する集光器は、すべての投影された像が長方形であり且つ混合ロッド入口開口の輪郭に正確に適合しているという条件に必然的に適合するであろう。この条件は一般的であり、このような入口開口が１００％集光器に使用される光学素子に依存しないか、或いはかかる設計が存在することを示唆する。]
[0009] 小エタンデュの集光効率を改善する最近の傾向は、電極間の隙間を減少することによりアークのエタンデュを減じることである。さらに、若干の光学設計は効率を次の方法で改善するように開発されている。]
[0010] ・アークのエタンデュをアークと同心配置の半球鏡を経て減少する。半球鏡は放出された光の半分を部分的に吸収性のアーク（部分的に吸収性である）へ向けて反射し、それを通過させて輝度を増す。次いで、このより高い輝度の半エタンデュのアークからの光は通常の楕円反射器により集光される。]
[0011] ・心外れの半球鏡でアークの並んだ像を形成し、二重パラボラ反射器を介してその１：１合成像を作る。]
[0012] ・いずれもが回転対称の面を有する非球面反射器形状と非球面レンズとを使用して楕円鏡コマを補正することにより、投影アーク像の子午線（メリディアン）長を等化する。]
[0013] これらの光学的な手法は、それらの複雑さと技術的困難は別として、それらの光学が回転対称に制限されるので限定された利得能力を有するにすぎない。]
[0014] システムの効率を向上するための他の方法には色回収と色スクロール（単一のマイクロディスプレイプロジェクタでカラーフィルタを行うことにより生じたロスの２／３を回収することを試みる）、偏光回収（ＬＣＤ及びＬＣｏＳシステムで偏光が必要であることにより生じた５０％ロスの回収を試みる）がある。しかし、これらの方法には、得られるランプのエタンデュが増大し（偏光では倍増、及び色回収では三倍増）、さらに従来の集光器を使用する小型マイクロディスプレイの性能が限定される。]
[0015] ＳＭＳ３Ｄ法で設計される他の自由形のＸＸ集光器装置は「自由形の豆形光学素子とその集光器及びヘッドランプへの応用」と題する国際公開第２００７／０１６３６３号パンフレットに記載されているが、ここにその全体の記載を援用する。同文献の図４３Ａから図４４Ｃに記載された装置は、本発明の実施例とは違って、正方形ターゲットの代わりに円形ターゲットにより適している。これらの装置は、投影アーク像の回転を回避することに注目する代わりに、国際公開第２００７／０１６３６３号パンフレットの図４５Ａ〜４５Ｃに記載されているように、それらの幅と長さの等化を行うように、エタンデュの絞りを行うという思想に基づいている。国際公開第２００７／０１６３６３号パンフレットの図４５Ａ〜４５Ｃに示されている装置は、二つ割りにした半部分が作成され、像の回転を防止している点で、本発明の実施例と共通するところがあるが、構成は第２鏡の２つの半部分が近接していないで対面している点で異なる。]
[0016] 集光光学装置の製造技術の現状を見ると、現在の全てのシステムはもっぱら回転対称な表面に基づくものである。これらは主としてガラス（安価なため）又はガラスセラミック（高い熱安定性のため）から製作される。これら両技術の精度は限定されるので製品のプロフィルは意図したものから離れる可能性がある。]
[0017] 本明細書では、ＳＭＳ３Ｄ法が大きい開口数と効率を有する自由形の鏡光学系に適用され、それにより、投影されたソース像が回転しないことを保証することができる。本書で使用される用語の定義は文末に記載してある。]
[0018] ＳＭＳ３Ｄ設計法は２組の波面の完全制御と第３の波面部分制御を提供する。こうして投影されたソース像の寸法、位置及び向きは前例のないレベルまで制御できる。ＳＭＳ設計の二重反射器装置はここでＸＸと称する。各種のＸＸ集光器を明らかにするために、この節では図２のように長方形平面ソースから発せられた光を集め、それを長方形の平面ターゲットに投影すべき場合を考察する。光源はｙ＝０の平面に置かれ、ｙ＞０の方向に光を放出する。ターゲットはｚ＝一定の平面にあり、ｚ＞０の方向から光を受ける。] 図２
[0019] 本発明の１つの態様によると、ソースから放出された光をソースの第１端にほぼ整列しているターゲットへ差し向ける光学装置が提供される。この光学装置は、ソースの前記第１端からの光を前記第１端に対向して配置された集光器の第２端に差し向ける第１光学素子と、前記集光器の前記第２端に配置されていて前記第１光学素子からの光を前記ターゲットに差し向ける第２光学素子から構成され、そして、前記ソースから前記ターゲットに到着する光の少なくとも７０％が前記第１及び第２光学素子により反射されたものである。]
[0020] 本発明の他の態様によると、ほぼ円筒形のソースからの光を、該円筒形ソースの第１端にほぼ整列しているターゲットへ向けて差し向ける集光器を提供する。この集光器は、前記円筒形ソースからの光を前記円筒形ソースに対向している前記集光器の第２端に差し向けるための第１反射器または他の光学素子と、前記第１反射器または他の光学素子からの光を前記ターゲットへ差し向けるための前記第２反射器または他の光学素子とを含み、そして、前記ソースから前記ターゲットに到達する実質的にすべての光が前記前記第１及び第２反射器または他の光学素子から反射されたものである。]
[0021] 第１及び第２光学素子は、第１光学素子のすべての部分からのソースの像が、それらと実質的に同一の形状、寸法及び向きの関係を保持してターゲット上に結像されるように構成することができる。
第１及び第２光学素子はまた、第１光学素子のすべての部分からのソース像が、それらと実質的に同一の形状、寸法及び向きの関係を保持してターゲット上に結像するように構成することができ、さらに像がソースの長さ対直径比（Ｌ／Ｏ）よりも正方形に近い長方形となるようにし得る。]
[0022] 像は長さ／幅比（Ｌ／Ｄ）が１／４〜２／３、好ましくは４／９から１／２でありうる。]
[0023] 第１光学素子は、前記第１端部へ向いている第１の複数の弧状セクタと、前記第２端部へ向いている第２の複数の弧状セクタとに分割されていてもよい。第１の複数の弧状セクタは第２の複数の弧状セクタに対して周方向にずれていてもよい。そして、第２の光学素子は第１及び第２の複数の弧状セクタの総計と同一の数の第３の複数の弧状セクタに分割され、第３の複数の弧状セクタの各々が第１又は第２の弧状セクタの対応したセクタに対向している。第１光学走素子の各セクタは光をソースから第２光学素子の対向したセクタに差し向け、この対向したセクタは光をターゲットに差し向ける。]
[0024] 本発明の他の形態によると、円筒形ランプをソースとして具備した本発明による集光器を含むランプ組み立て体を提供する。]
[0025] 本発明の他の形態によると、本発明によるランプ組立体、ターゲットでの像形成変調器、及び該ランプ組み立て体からの光に作用する該変調器により生成された像を投影する投影光学系、を含む投影機が提供される。
本発明の他の形態、特徴及び利点は以下の図面に関連したより具体的な説明により明らかにする。]
図面の簡単な説明

[0026] 図１において図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄは従来の楕円集光器のソース像の特徴を示す。
ＸＸ３Ｄ光学系の例の概略図である。
図３において図３Ａ、３Ｂは異なった視点からの初期曲線Ｒ0（シード・リブ（seed rib））を例示する概略図である。
図４において、図４Ａ、図４ＢはＳＭＳリブを例示する図である。
図５において、図５Ａ、図５Ｂは図３〜４のシードパッチパラメータ化とＳＭＳ構造により誘導されたＳＭＳ表面における座標曲線としてのスパイン（背骨曲線）を例示する図形である。
図６において、図６Ａ〜図６Ｅは、倍率ＭとＮの符号がいかにしてＸＸ集光器の４つの可能なファミリーに導くかを示す図である。
従来の集光器（左側）の長方形ターゲット開口とＸＸ３Ｄ集光器（右側）の投影アーク像の整列を比較した２つの図である。
ソースとターゲットの精細度(definition)を例示ずる１組の図である。
円筒形ソースの放射特性を制御する波面の精細度を例示する１組の図である。
図１０Ａ、１０Ｂは２つのＸＸファミリーに対するｘ＝０上に含まれるスパインを例示する図である。
Ｎ＞０のＸＸ設計を例示する図である。
一つの設計変更におけるｘ＝０に含まれるスパインを示す。
円筒形ソースに対するＸＸ集光器設計の８つのファミリーを総括する図である。
１つの選択されたＸＸ設計を示す。
図１４の１つの選択されたＸＸ設計の幾何学的寸法を示す。
図１４の集光器に対する光線追跡結果を示すグラフである。
図１４の楕円形集光器ＸＸに対する光線追跡結果を示す。
図１４の集光器に対するターゲット平面における照明分布に対する光線追跡結果を示す。
図１４の集光器に対するさらなる光線追跡結果を示す。
ＸＸ集光器と１６：９ターゲットの３Ｄエタンデュの集光効率に関する光線追跡結果を示すグラフである。
図２１において図２１Ａと図２１Ｂはデモ用製品プロトタイプの図形を示す。
ニッケル電気成形により製造されたデモ用製品を示す。
実際のアークランプの輝度分布を示す図である。
バルブ内に一体化された図１４に類似のランプシステムの側面図である。] 図１ 図１０Ａ 図１４ 図１Ａ 図２１ 図２１Ａ 図２１Ｂ 図３ 図３Ａ 図４
[0027] 添付図面を参照するに、ＳＭＳ３Ｄ設計法は２対の波面の完全制御と、第３対の波面の部分制御を提供する。従って、投影されるソース像の寸法、位置、及び向きは予期されないレベルまで制御できる。ＳＭＳ設計二重反射装置はここではＸＸと略称する。各種のＸＸ集光器ファミリーを明らかにするために、本明細書では、図２に示したような幾何学的構造において、長方形の平坦なソースから放出される光を集めてそれを長方形の平坦なターゲットへ送らなければならないＸＸ設計を考察する。光源はｙ＝０の平面内に置かれ、ｙ＞０の方向に光を放出する。ターゲットはＺ＝一定の平面に置かれ、Ｚ＞０の方向の光を受ける。] 図２
[0028] 図２は２枚の自由形の鏡と、第１光学素子（ＰＯＥ）と、第２光学素子（ＳＯＥ）とにより構成されたＸＸ３Ｄ光学素子の例を示す。図２の装置は、像ソース又は変調器を有する像形成装置（例えばTexas Instruments, Inc.社からＤＭＤチップ）であり、ターゲットに、観察又はその他の使用をされ或いは投影される像を形成するものである。この装置はソースに光源を、ターゲットにソース又は変調器を有する集光器でありうる。この装置はソースに光源を、ターゲットに光を取り込む光パイプ又はさらなる光処理装置を備えた集光器でありうる。以下に説明する他の実施例は投影プロジェクタとしてよりはむしろ集光器として適している。従って、説明を簡潔にするために、記載の実施例の装置は「集光器」として記述する。従って、用語「集光器」は他の用途に使用できる光学装置を制限するものと解してはならない。] 図２
[0029] もしもソース寸法が集光器寸法に比較して十分小さく、装置が第３組の波面を制御するものと仮定するなら（シード・リブにおいてのみ保証される）、ソースとターゲットの間に次の線形写像が成り立つ。



ここに、（ｘ’，ｙ’）はターゲットでの点、（ｘ，ｚ）がソース（原像）での点であり（ソースとターゲットに対して同一のグローバル座標ｘ−ｙ−ｚ系が使用される）ｃlとｃ2はソースの中心のターゲットの中心への写像（対応）を定義する定数である。]
[0030] この写像は、一次近似において（すなわち小さいソースに対し）、ＳＭＳ法により、光源が対物平面に置かれターゲットが像平面にある場合における像形成の設計が提供されることを示唆する。図２において、点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが物体点とすると、それらに対応する像点は点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’にある。] 図２
[0031] 図２の光学構成は特定のソース点を特定のターゲット点に写像することを可能にするので、ソースの像をターゲットに投影する像形成装置としても、集光器としても使用できる。] 図２
[0032] 式１の行列の対角要素は光学系の倍率を定義する。一般に、定数ＭとＮは等しくなく次のように定義される。
・倍率Ｍ：ｙ軸に平行なターゲットの辺をＨ’、ｚ軸に平行なソースの辺をＨとしたときの比Ｈ’／Ｈである。
・倍率Ｎ：ｘ軸に平行なターゲットの辺をＷ’、ｘ軸に平行なソースの辺をＷとしたときの比Ｗ’／Ｗである。]
[0033] 初期曲線（すなわちＳＭＳシード・リブ）の計算のため、２つのソース波面（図３においてＡ、Ｂで示した）は、それらを結ぶ線が座標系のｘ軸に平行であるように配置されている。図３のように、ターゲット波面Ａ’とＢ’を結ぶ線も同様に座標系のｘ軸に平行となる。] 図３
[0034] 図３を参照するに、初期曲線Ｒ0（シード・リブ）の計算は、ソースの点Ａ、Ｂから放出された発散する球面波面と、ターゲットの点Ａ’とＢ’に集中する収れんする球面波面を用いて計算される。この２点写像は倍率Ｎを定義する（図３では負。なぜならＡ’、Ｂ’は点Ａ、Ｂと比較すると、ｘ＝０の平面を横切るときに交換されるからである）。] 図３
[0035] 図４に示したように、ＳＭＳリブ計算に対しては、２つのソース波面（図４のＣ、Ｄ）が、それらを結ぶ線が座標系のｚ軸に平行になるように置かれる。ターゲット波面Ｃ’とＤ’を結ぶ線は座標系のｙ軸に平行である。この２点写像は倍率Ｍ（ｙ軸とｚ軸の正の方向を基準使用すると、Ｃ’とＤ’はＣとＤに比較すると交換されているので図４では負になる）を定義する。] 図４
[0036] シード・リブ（Ｒ0）と残りのＳＭＳリブの計算はここでは４つの波面対を使用している。３つの波面対のみを使用する計算も可能であるが、平面ｘ＝０に対する装置の対称性を保証できる点で４つの波面対を使用する計算の方が実際的である。]
[0037] ＳＭＳ法はシードパッチで使用されるパラメータ化に由来する表面のパラメータ化を誘導する。パラメータの一つはシード・リブから誘導されるパラメータｕである。ｕ＝一定の曲線はスパイン（背骨曲線）と呼ばれる。一般にシードパッチの任意のパラメータ化はＣ0曲線でないスパインを導く。Ｃ0、Ｃ1等のスパインを有するためには、連続条件がシードパッチパラメータ化に課される。このような連続レベルは理論面とは関連がない（いずれにしても、表面は同一であり、それらのパラメータ化だけが異なる）。しかし、実際には表面は実施例の計算プロセスの中にモデル化され（例えばｂスパインを使用して）、次いで正確な表面モデル化のためには適当なパラメータ化が必要である。]
[0038] 図５は、シードパッチパラメータ化とＳＭＳ構造により誘導されるＳＭＳ表面上の座標曲線として、図４のＸＸ光学要素のスパインを示す。] 図４ 図５
[0039] 倍率パラメータＭ、Ｎは正又は負であり得るので、図６に例示されているＸＸの４ファミリーが考えられる。適当なファミリーの選択は与えられた用途に対する具体的な目標（幾何学的及び光学的なもの）に依存するであろう。] 図６
[0040] 図６は倍率Ｍ、Ｎの符号がいかにしてＸＸ集光器の４つの可能なファミリーに導かれるかを示す。図６Ａはソース点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから発する波面を、図６Ｂ〜６Ｅはそれらに対応するターゲット波面をＡ’（図６ＢでＭ＞０、Ｎ＞０）、Ｂ’（図６ＣでＭ＞０、Ｎ＜０）、Ｃ’（図６ＤでＭ＜０、Ｎ＞０）、Ｄ’（図６ＥでＭ＜０、Ｎ＜０）を示す。] 図６ 図６Ａ 図６Ｂ 図６Ｃ 図６Ｄ 図６Ｅ
[0041] 円筒形ソースに対するＸＸ設計は次の通りである。]
[0042] 本発明のＸＸ３Ｄ構造及び幾何学形状は円筒形ソースにも応用できる。以下に示すように、得られる設計が光を効果的に四角形開口へ結合できるので、これは集光器の応用に実際的な利益を与える。これは投影ソース像のＳＭＳ３Ｄによる制御と、その非回転投影と、その投影寸法の定常性（少なくとも一次元で完璧であり、直交寸法においてシート・リブ周りで保証される）による。]
[0043] 図７を参照すると、従来の集光器（左側）に対して、本発明のＸＸ３Ｄ集光器（右側）は投影アーク像の回転を回避するその結果、投影像が通常の長方形開口（図７、アーク輝度の不均一性は示されてない）に適合できる。] 図７
[0044] ターゲットとソースの精細度（definition)を示す図８に示したように、図８に例示した角度視野でもって、円筒から放射される光を集めてそれを長方形の平面ターゲットに転送するＸＸに対する要件に対し、この問題の形式的な精細度を考える。] 図８
[0045] 光をかかるソースの視野から来る光を集めるために、図２に示したものと類似したＸＸ設計は半分の光（ｙ＞０の方向に放射されたもの）を集めるように計算することができる。他の半分（ｙ＜０の方向に放出されたもの）は、ｙ＝０の平面内で計算された反射器と対称であると仮定できる反射器に行く。この設計で使用されるべき入力及び出力波面は図９に示されている。] 図２ 図９
[0046] 図９は円筒形ソースの放射特性を制御する波面（ＷＦ）の精細度を例示する。図６において、解の４つのファミリーが倍率の符号に従って定義されている。入力ソースは最早平面ではないので、倍率の古典的な定義は当てはまらないが、波面対の割り当ての結果として４つのファミリーは依然として存在する。ファミリーの命名を単純化するために、Ｍ、Ｎの倍率の符号は依然として使用することにする。] 図６ 図９
[0047] 例示のため、図１０はＭの可能な２種の符号を有するファミリーに対してｘ＝０の平面内に含まれるスパインを示す。この２Ｄ断面においては、Ｍ＞０のとき、２つの入力波面の任意の光線は、第１の光学素子（ＰＯＥ）で反射された後、第２の光学素子（ＳＯＥ）に達する前に実火面を形成する。一方、Ｍ＜０の場合には、火面は仮想（すなわち、光線の観念的な連続が第１及び第２光学素子の間の光線軌跡の外側に火面を形成する）である。これは、ｙ＞０である光学系に対して、ソースから第１の光学素子（ＰＯＥ）にむけて放射されるそれぞれ大きいｚ値及び小さいｚ値を有する光線が、Ｍ＞０の場合にはそれぞれ小さいｙ値及び大きいｙ値を有する第２光学素子（ＳＯＥ）の点に向けて反射され、Ｍ＜０の場合にはそれぞれ大きいｙ値及び小さいｙ値を有する第２光学素子（ＳＯＥ）の点に向けて反射されることを意味している（図１０参照）。] 図１０
[0048] 従って、図１０Ａは倍率符号Ｍ＞０を有するＸＸファミリーに対してｘ＝０の平面上に含まれるスパインを示し、図１０Ｂは倍率符号Ｍ＜０を有するＸＸファミリーに対してｘ＝０の平面上に含まれるスパインを示す。] 図１０Ａ 図１０Ｂ
[0049] シード・リブ計算に影響するＮに等価な倍率の符号に関しては、図３はＮ＜０を有する一例を示したが、図１１はＮ＞０の一例を示す。これらの図から分かるように、上に記載したＭの符号の意味と似て、ソースからｘ＞０の第１光学素子（ＰＯＥ）の諸点に向って放射された光線は、Ｎ＜Ｏの場合にはｘ＞０の第２光学素子（ＳＯＥ）の諸点に向けて反射され、またＮ＞０の場合にはｘ＜０の諸点に向けて反射される。] 図１１ 図３
[0050] ＭとＮの２つの可能な符号により生成されるＸＸの４つのファミリーは３Ｄ内のそれらの２つの火面の実際の又は仮想の性質により等価的な記述ができる。]
[0051] 円筒形ソースは光をｙ＞０及びｙ＜０の両半空間に射出するので、倍率符号に加えるべき他のブール変数が存在し、ＸＸ解の４つのファミリーを８つに上げる。この第３のブール変数は、第１光学素子（ＰＯＥ）鏡のｙ＞０側の半分は、光を第２光学素子（ＳＯＥ）のｙ＞０側の半分に向けて反射する（先に図示した通り）か、または第２光学素子（ＳＯＥ）のｙ＜０側の半分に向けて反射する（図１２）。] 図１２
[0052] 図１２は、第１光学素子（ＰＯＥ）鏡のｙ＞０の半部分が第２光学素子（ＳＯＥ）のｙ＜０の半部分へ向けて反射する場合の１つの変形例における、ｘ＝０に含まれるスパインを例示であって、対になるＰＯＥ半部分とＳＯＥ半部分は隣接していない。全方向放射の集光器としての使用のためには、図１２のハーフ鏡はｙ＝０の平面の両側の鏡により複製されることが仮定される。図１２に示したようなｙ＝０の両側に単一ＳＯＥ半部分と単一ＰＯＥの半部分を使用する構成は、図２の構成の変形例として投影装置に使用できる。集光器としての非投影装置では、同一の図２又は図１２の構成がソースを同一寸法及び同一向きのターゲットへ投影するのに使用できる。２つのＳＯＥ半部分と対応する２つのＰＯＥ半部分は、ターゲットの非円形照明を行うのに使用できる。なぜなら、例えば円筒形光源では、両半部は円筒形ソースの長方形の視野をターゲットに投影することによりターゲットの一致した長方形照明を行わせることができるからである。] 図１２ 図２
[0053] 図１３は円筒形ソースに対して創出されたＸＸ集光器設計の８つのファミリーをまとめた図形である。] 図１３
[0054] このタイプのＸＸ集光器の上記のすべてのファミリー開発された。光線追跡の結果は、以下に、それらのうちで最良の性能のもの、すなわちＭ＜０及びＮ＜０であって、ＰＯＥ及びＳＯＥの対になった半部分がｙ＝０の平面（近傍ではない）の両側に位置している場合についでのみ説明される。「最良の性能」とは、図８に示したように、ソースとターゲットが三次元において同一のエタンデュを有する場合に、ソースとターゲット間での最高のエネルギー移動がある場合と定義される。] 図８
[0055] 設計における入力パラメータは次のとおりである。]
[0056] ・円筒形ソース：長さＬ＝１．２ｍｍ、直径Ｄ＝０．３ｍｍ、放射が円筒の軸線からβMAX＝４５度より大きい光線に角度を形成するものに限定する。]
[0057] ・長方形平坦ターゲット：アスペクト比＝４：１、受光角はφMAX＝１９度以下に限定される。]
[0058] ・ソース中央からターゲット平面までの距離：３０ｍｍ]
[0059] 図１４はＭ＜０、Ｎ＜０のファミリーと、隣接していない第１光学素子（ＰＯＥ）半部分と第２光学素子（ＳＯＥ）半部分の対（ＰＯＥがｙ＜０でＳＯＥがｙ＞０のみが上部に示されている）の選択されたＸＸ設計の鏡の表面を示す。ソースとターゲットは寸法通りに示されていない。図１４から分かるように、対の第２光学素子が単一素子として構成でき、２つのＳＯＥ表面がｙ＝０の平面で会合している。従来提案された装置に共通である中心穴は存在せず、またＳＯＥ表面はその全面積にわたり光学的に充分に定義されていて有効である。以下の図２１〜図２２に示した構成では、ＳＯＥの中央孔はＵＨＰアーク又は他のランプの一端の取り付け具及び電気コネクタのための場所を提供するのに有用である。しかし、図２４に示したように、図１４のような装置は、ランプ自体の包囲壁として役立つ成形ガラス球の表面の金属被覆面として形成されるＰＯＥ及びＳＯＥで構成されうる。そのようにすれば、ランプに対する給電体、電極、またはフィラメント支持体は、ガラス容器を通る一対のワイヤのみにしてＳＯＥの中央部を効果的に使用できる。] 図１４ 図２１ 図２２ 図２４
[0060] 図１５は、図１４の選択されたＸＸ設計幾何学的寸法関係を示す頂面図、側面図及び正面図である。第１光学素子（ＰＯＥ）はｘ方向に８６．８９ｍｍの最大幅、ｙ方向に（ｙ＞０、ｙ＜０の各半部分）に最大高さ６５．０２ｍｍを有する。ターゲットに面し、集光器の円形視野を規定する第１光学素子（ＰＯＥ）の開放端の直径は３１．５３ｍｍである。第２光学素子（ＳＯＥ）はｘ方向の最大幅が４８．７９ｍｍ、ｙ方向の最大高さが４０．４５ｍｍである。] 図１４ 図１５
[0061] 性能を評価するために、集光効率対ターゲットのアンタンデュの関係を光線追跡法（市販の光線追跡パッケージであるLightTools（商標登録）を使用。www.opticalres.com参照）により算出した。結果を表１６に示す。]
[0062] ターゲットのエタンデュは、同一のアスペクト比（４：１）を有する固定及び可変寸法の円形視野を維持しながら変化させた。従って、ターゲットのエンタンデュは次の式（２）で与えられる。



ここに、Ａtargetはターゲットの面積であり、またＸＸに対してφMAX＝±１９度である。]
[0063] 図１６は図１４の集光器に対するターゲットの３Ｄエタンデュと集光効率の関係を示している。比較のために、図１６には他の２つの曲線が描かれている。一方の曲線は同一のソースとターゲット（アスペクト比が４：１）に対して作用する従来の楕円形反射器に対する集光効率対ターゲットエタンデュの関係（黒丸と線）を示す。楕円体の偏心率は０．８（最適化標準）に設定され、ターゲットの視野はφMAX＝±３０度（これも市場の標準値である）に設定された。] 図１４ 図１６
[0064] 図１６の第３の曲線はエタンデュを考慮して誘導された理論限界（実線折れ線）に相当し（理論値を達成する理想集光器であって、現実には存在しない）、ターゲットエタンデュがソースエタンデュがよりも大きいとした場合にソースの全エネルギーをターゲットに輸送する理想的な集光器のものである。これは理想的な集光器が次式（３）で与えられる集光効率対ターゲットエタンデュ曲線を有することを示唆する。




ここに、Ｅsource＝３．１３ｍｍ2は入力データと下記（４）の円筒形ソース幾何形状から直接算出されたターゲットエタンデュＥsourceである。、] 図１６
[0065] 図１６はＸＸが楕円反射器よりも遙かに良好な性能を有することを示し（全ての鏡に対して鏡面反射率は１と設定）、理論限界に近づく。ＸＸが理論限界に達することを妨げる３つの因子が存在する。] 図１６
[0066] １．ターゲットのエタンデュが大きければ、第１光学素子（ＰＯＥ）で反射されるある光線部分は第２光学素子（ＳＯＥ）に到達できないので、１００％集光効率は達成できない。]
[0067] ２．ＸＸ効率曲線の「肩」は不連続な理論値に対しては丸くなっている（これに対して理論値では勾配が不連続である）。これはターゲット平面上の照明分布が階段状に遷移しないからであり、また図１８のように照明分布の丸い輪郭線のためである。] 図１８
[0068] ３．ターゲットのエタンデュが小さい場合には、図１６のＸＸ曲線の傾斜は理論値の傾斜よりも小さいが、これはＸＸが円形視野を完全且つ一様に満たさないからである。（図１９の強度分布参照。）] 図１６ 図１９
[0069] 図１７は光線追跡により決定した利得対エタンデュのプロットを示す。利得は与えられた従来技術でない集光器の集光効率と楕円形集光器の集光効率の比である。図１４のＸＸ装置は広範囲なエタンデュにおいて２までの利得を示している。理論限界は３までの利得を達成することができる。] 図１４ 図１７
[0070] 図１８は、ソースが１０００ｌｍの光束を有することを仮定して光束追跡により得た図１４のＸＸ集光器に対するターゲット平面における照明分布を示す。] 図１４ 図１８
[0071] 図１９は、ソースが１０００ｌｍの光束を有することを仮定して光束追跡により得た図１４のＸＸ集光器に対するターゲット平面を通る強度分布を示す。] 図１４ 図１９
[0072] ４：１のアスペクト比は投影ディスプレーの用途では通常見られない。これに対して１６：９の形式が現在の標準と考えることができる。図２０は、ターゲット平面に１６：９の照明分布を生成するように設計された図１４と同様なＸＸ集光器に対する追跡結果を示す。図２０は直径が０．６２ｍｍの円筒形ソース（ソースエタンデュ＝６．９６ｍｍ2）であって、残りのパラメータは図１４と同一であることを仮定している。円形視野に対するＸＸは依然として楕円反射器よりも性能が良いが、ターゲットのアスペクト比が小さいので利得は１．５に減じる（ここでも、すべての鏡は鏡面反射率が１に設定してある）。理論限界も２に減じる。] 図１４ 図２０
[0073] 学術的に考察して興味深いことは、ターゲットに対して正方形の視野を考察すれば、これらのＸＸ集光器が理論限界に近いことである。図２０はまた、ターゲットにおいてＸＸに対して正方形視野１４度×１４度を使用する場合の集光効率とターゲットのエタンデュを示している。理論限界は変わらないが、強度分布が正方形視野によりよくマッチするので、ＸＸははるかに良好な性能を有する。正方形視野を有するＸＸの効率曲線の勾配は原点近くの理論限界に非常に近く、均一で且つ充分に満たされた視野を示している。] 図２０
[0074] 図２１〜図２２を参照するに、実証モデルがこれらの設計を証明するために制作された。取り扱いを良くするために、プロジェクタアークランプ（その高い光束は減光できない。また高いＵＶ放射を有する）の代わりに、自動車のＨ７ハロゲンランプを選択した。Ｈ７のフィラメントは長さＬ＝４．３ｍｍで直径Ｄ＝１．５５ｍｍの円筒により包囲された螺旋形のものである。この形状はランプ干渉へのシェードと鏡を防ぐためにＸＸ構造の選択を強いた。選択した設計は、図２１に示したように、Ｎ＝０、Ｍ＜０のファミリーのＸＸと、近接した第１光学素子（ＰＯＥ）半部分及び第２光学素子（ＳＯＥ）半部分であり、撹拌部分は分離された長方形ターゲットを有するものである。図２１Ｂの３Ｄ図は、図１４と比較すると、円筒ソースの軸線（ｘ軸）の周りに９０度回転した装置を示す。] 図１４ 図２１ 図２１Ｂ 図２２
[0075] ニッケルの電鋳により製造した原型を図２２に示す。鏡の被覆は蒸着アルミニウムより構成した。第２光学素子（ＳＯＥ）のｙ＞０及びｙ＜０の半部分は金型の同一のレプリカとして製造した。同様に第１光学素子（ＰＯＥ）は２つの半部分から構成したが、この場合、第１光学素子（ＰＯＥ）は取り扱いを容易にするためにｘ＞０、０＜ｘの半部分に分割した。] 図２２
[0076] 図２１と図２２に示した模型はニッケル電鋳により製造された。ｘ＞０の第１反射器半部分は図２２では３つの第２反射器を示すために除かれている。図２２の下側側（ターゲットからｚ軸の正方向に沿ったもの）の図では、ターゲット平面におけるフィラメントの像を見ることができる。] 図２１ 図２２
[0077] 上に述べたいくつかのＸＸ設計のものは自由形の表面であるが、ｘ＝０の平面に関して対称であり、その平面に含まれる鏡に対して直角のベクトルを有する。従って鏡のｘ＝０断面は例えば図１２に示したものに類似する２Ｄ光学系である。ｘ＝０における２Ｄのエタンデュ計算は、一旦視野が固定されたら、ターゲット点ＷＦ03とＷＦ04の間の距離を与える。（図９に示す。）] 図１２ 図９
[0078] 従来の集光器の効率の限界を提示した後に、本発明はＸＸ３Ｄ設計に基づいて新規な集光器構造を開発した。これらは回転対称光学系では達成できない能力、特に投影されたソース像の回転の制御を可能にする。これらは上に引用したＷＯ２００７／０１６３６３のエタンデュ絞り技術と組み合わせることができるＳＭＳ３Ｄ設計法で設計される。光線は同じ条件で行われた光線追跡は（エネルギー伝達対ターゲットエタンデュ）、４：１のアスペクト比を有する長方形開口に対して２００％までの理論集光効率を示す。この概念を示すためにデモモデルを電鋳ニッケルにより製作した。]
[0079] 図２３は図１４及び図２２の光学系を備えた自動車用ランプの例を示す。この場合に放出されるビームは自動車の前方の道路に向けられるので、ターゲットは仮想的なものである。放射されたビームの一部は第１及び第２光学素子により他の一部は出射口により修正される。ここに出射口は第２光学素子から遠い側の２個の第１光学素子半部分の間の境界にある。図２２において出射口は長方形である。自動車のヘッドライトでは、」出射口は適当な規制により要求される形状をもつようにより細かく形成されている。この形状は典型的には厳密な頂部切断、厳密な形状、しばしば対称性、対面トラフィック側でのカットオフを要求するが、底部とカーブ側は緩い。] 図１４ 図２２ 図２３
[0080] 本発明の装置の興味ある特徴には次のものが含まれる。]
[0081] 設計可能な８種のファミリーの差別化（図１３）。] 図１３
[0082] 上に定義した倍率Ｍ，Ｎの符号で決まる４つのファミリーは同等である（すなわちＭ×Ｎ＞０）。もしも対物の一点から１つの球状波面を取るとすると、第１光学素子での反射の後には、一つの火面が実であり、他の火面が仮想である。これは出願人が知る限りでは像形成光学系では前例がない。]
[0083] 鏡、物体、及びターゲットの相対位置を含む平面内に物体がある場合（図３〜５）の設計の全体的な幾何形状は、光の遮断を防ぎ、物体とターゲットに直交するベクトルは平行でなく約９０度となる。] 図３ 図４ 図５
[0084] ソースが円筒形で鏡位置、物体及びターゲット位置を含む場合（図３〜５）の全体幾何形状は、光の遮断を防止する。] 図３ 図４ 図５
[0085] フィラメントの場合には（図１４Ｂ参照）、２つの半部分を使用すると、図８の入出力の光束の良好な結合が行われる。入力及び出力光束は位相空間で連結集合であるが（ここで位相空間はｘ−ｙ−ｚ−ｐ−ｑ−ｒ、ただし、ｐ２＋ｑ２＋ｒ２＝１）それらは非常に異なったトポロジーを有する。キーポイントは２つの半部分設計であり、中間の光束（すなわち２つの鏡間の光束）が位相空間では連結集合でない効果を有する。このような切断は平面ｙ＝０で第１鏡の線に沿った法線ベクトルの不連続性により生成される。出力光束は連結されるので、このような再連結（トポロジー付着）はｙ＝０の平面で第２鏡の線に沿った法線ベクトルの不連続性により提供される。第１及び第２鏡における切断−再連結は図１４に示された輪郭の写像に従って生成される。] 図１４ 図１４Ｂ 図８
[0086] 本書で使用した用語は次のとおりである。]
[0087] 「従来の集光器」は楕円またはパラボラ回転鏡（通常は平坦なガラスカバーを有する）と光源（アークランプ又はハロゲンバルブ）から構成され、光源ランプの軸線は鏡の光学軸に一致している。鏡は典型的には図３２に示したように光学軸から４５〜１３５度の角度範囲で放出されるランプ光を集めるように設計されている。]
[0088] 「実アーク光源」は実際のランプのアークが有する不均一の輝度分布を有する光源を意味する。この分布はほぼ回転対称である。しかし、かかるアークは側面から見て典型的には長さ方向にも幅方向断面も均一でない。それは通常測定され、光線の組が生成される。の図１及び図２３を参照されたい。] 図１ 図２３
[0089] 「子午線角度」は子午面における空間の任意点において透過光束が張る全角度である。光束が均一でない場合には全角度は光束フラックスの選択された部分割合を含む等輝度表面を使用して定義される。]
[0090] 「サジタル角度」はサジタル面における空間の任意点における透過光束が張る全角度である。光束が均一でない場合にはこの全角度は光束フラックスの選択された部分割合を含む等輝度表面を使用して定義される。]
[0091] 「アークの投影像」は集光器の出射開口におけるピンホールにより作られ、ついでターゲット面に投影される理論上の像である。この場合に、照明の全分布は出射開口を完全にカバーするこれらピンホールの配列の合計である。]
[0092] 「理想的集光器」はエタンデュ保存則により許容される最大集光効率を達成する集光器である。光源モデルが与えられると、理想的集光器の性能は特定のターゲット開口の輪郭には依存せず、ターゲット開口面積及び照明角度にのみ、すなわちそのエタンデュのみに依存する。理想的集光器は集光器の出射表面のすべてからの同一の像を投影しなければならず、またこれらの像の輪郭はターゲット開口の輪郭に一致しなければならない。]
[0093] 特定の実施例を説明したが、当業者は本発明の範囲内で他の実施例の特徴がどのように組み合わせ或いは置換できるかを理解するであろう。]
[0094] 参考文献
・R.Winston,J.C.Minano,P.Benitez,Nonimaging Optics,Academic-Elsevier,Burlington,(2005)
・H. Moench et al.“Higher Output, More Compact UHP Lamp Systems”,SID Symposium Digest of Technical Papers,(2002)
・US Patent 6,356,700 by Stroebl
・US Patent 6,672,740 by Li
・JP Patent Application H7-174974 A by Tadaaki
・US Patent 5,966,250 by Shimizu
・D.S.Dewald,S.M.Penn,M.Davis,“Sequential Color Recapture and Dynamic Filtering:A Method of Scrolling Color”,SID International Symposium,40.2,(2001)
・J.A.Shimizu,“Scrolling Color LCOS forHDTVRear projection”,SID International Symposium,40.1,(2001)
・M.Duelli,A.T.Taylor,“Novel polarization conversion and integration system for projection displays”,SID International Symposium,16.3,(2003)]

权利要求:

請求項1
ソースからの光を、該ソースの第１端とほぼ整列するターゲットへ差し向けるための光学装置において、前記光学装置は、前記ソースと前記ターゲットを通る基準平面に関して鏡映対称に配置された一対の第１光学素子であって、前記ソースからの光を前記シリンダーの第１端に対向して配置された集光器の第２端に差し向ける第１光学素子を有し、一対の前記第１光学素子は一緒に前記ソースを取り囲み、前記ソースの両側で前記基準平面に沿って会合しており、前記光学装置はさらに、前記ソースと前記ターゲットを通る基準平面に関して鏡映対称に前記集光器の第２端に配置された一対の第２光学素子であって、前記一対の第１光学素子からの光を、前記ターゲットに差し向ける第２光学素子、を含む光学装置。
請求項2
前記ソースは細長く、前記各第１光学素子とそれらに関連している前記各第２光学素子は前記ソースの像と同一の向きの細長い像を前記ターゲットに形成する、請求項１に記載の光学装置。
請求項3
前記各第１光学素子は前記ソースからの光を前記基準平面の反対側の第２光学素子に差し向ける請求項１に記載の光学装置。
請求項4
前記一対の第２光学素子は前記ターゲットと前記ソースを通る基準平面内の線を横切る境界において前記基準平面に沿って会合している請求項１に記載の光学装置。
請求項5
前記ソースから前記ターゲットへの光束は前記ソースと前記第１光学素子の間及び前記第２光学素子と前記ターゲットの間の位相空間において単一の連結集合を形成し、また、前記第１光学素子および前記第２光学素子の間の位相空間で連結されていない請求項１に記載の光学装置。
請求項6
前記光学装置は光ソースを取り囲む透明バルブを含み、前記第１及び第２光学素子がバルブの包囲壁の反射部分を形成している請求項１に記載の光学装置。
請求項7
前記第１及び第２光学素子は、前記第１光学素子の全ての部分からの前記ソースの前記ターゲット上の像が、前記ソースとほぼ同一の形状と寸法と向きで形成され、そして、前記ソースからの光束の少なくとも７０％が前記ソースと同一のエタンデュの長方形ターゲットに集積されるように構成されている請求項１に記載の光学装置。
請求項8
前記第１及び第２光学素子は、前記第１光学素子の全ての部分からの前記ソースの前記ターゲット上の像が、前記ソースとほぼ同一の形状と寸法で形成され、そして前記の像が長さ／幅の比が１／４〜２／３の範囲にある長方形である、請求項１に記載の光学装置。
請求項9
請求項１に記載の光学装置である集光器を含み、前記ソースが円筒形ランプであるランプ組立体。
請求項10
ターゲットに設けた像形成変調器、及びランプ組立体からの光を前記変調器に作用させて発生される像を投影する投影光学系よりなる、請求項９に記載のランプ組立体を含むプロジェクタ。
請求項11
ソースからの光を、該ソースの第１端とほぼ整列するターゲットへ差し向けるための光学装置において、前記光学装置は、前記ソースからの光を前記シリンダーの第１端に対向して配置された前記集光器の第２端に差し向ける第１光学素子と、前記第１光学素子から、前記ソース及びターゲットを通る基準平面の両側において前記集光器の第２端に配置された第２光学素子であって、前記第１光学素子からの光を前記ターゲットに差し向ける第２光学素子を含み、前記ソースから前記ターゲットに到達する光束の少なくとも７０％が前記第１及び第２光学素子により反射されるものである光学装置。
請求項12
前記第１及び第２光学素子は、前記ソースの前記ターゲットに形成される前記第１光学素子の全ての部分からの像が実質的に同一の形状、寸法、及び向きを持ち、そして前記ソースからの光束の少なくとも７０％が前記ソースと同一のエタンデュの長方形ターゲットに集積されるように形作られている請求項１１に記載の光学装置。
請求項13
前記第１及び第２光学素子は、前記第１光学素子の全ての部分からの前記ソースの前記ターゲット上の像が、前記ソースとほぼ同一の形状と寸法で形成され、そして前記の像が長さ／幅の比が１／４〜２／３の範囲にある長方形である、請求項１１に記載の光学装置。
請求項14
請求項１１に記載の光学装置である集光器を含み、前記ソースが円筒形ランプであるランプ組立体。
請求項15
ターゲットに設けた像形成変調器、及びランプ組立体からの光を前記変調器に作用させて発生される像を投影する投影光学系よりなる、請求項１４に記載のランプ組立体を含むプロジェクタ。
請求項16
前記ソースに像形成変調器を有する請求項１１に記載の光学装置を含むプロジェクタ。
請求項17
ソースからの光を、該ソースの第１端とほぼ整列するターゲットへ差し向けるための光学装置において、前記光学装置は、前記ソースからの光を前記シリンダーの第１端に対向して配置された前記集光器の第２端に差し向ける第１光学素子と、前記集光器の第２端に配置された第２光学素子であって、前記第１光学素子からの光を前記ターゲットに差し向ける第２光学素子を含み、前記ソースから前記ターゲットに到達する光束の少なくとも７０％が前記第１及び第２光学素子により反射されたものである、光学装置。
請求項18
前記第１及び第２光学素子が前記ソースと前記ターゲットを通る基準平面の両側に存在する請求項１７に記載の光学装置。
請求項19
さらに、前記ソースと前記ターゲットとを通る基準平面に関して前記第１光学素子に対して鏡映対称な第２の第１光学素子と、前記基準平面に関して前記第２光学素子に対して鏡面対称な第２の第２光学素子を有し、前記ソースは前記第１及び第２光学素子に光を放射し、前記２つの第１光学素子は一緒に前記光源を囲み、前記ソースの両側で前記基準平面に沿って会合している請求項１８に記載の光学装置。
請求項20
第１及び第２光学素子は、前記ソースの前記タ—ゲット上の第１光学素子の全ての部分からの像が、前記第１光学素子及び第２光学素子を経由した実質的に同一の形状、寸法及び向きの像であり、前記ソースからの光束の少なくとも７０％が前記ソースと同一のエタンデュの長方形ターゲットに集積されているように形作られている請求項１に記載の光学装置。